Captura imágenes de átomos individuales. Traza colinas y valles a escala atómica sobre superficies metálicas y aislantes. Y registra el flujo de corriente a través de materiales delgados como átomos sujetos a campos magnéticos gigantes. Científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han desarrollado un instrumento novedoso que puede realizar tres tipos de mediciones a escala de átomos simultáneamente. Estas mediciones pueden descubrir nuevos conocimientos sobre una amplia gama de materiales especiales que son cruciales para el desarrollo de la próxima generación de computadoras cuánticas, comunicaciones y una gran cantidad deotras aplicaciones.
desde teléfonos inteligentes hasta multicookers, los dispositivos que realizan varias funciones son a menudo más convenientes y potencialmente menos costosos que las herramientas de un solo propósito que reemplazan, y sus múltiples funciones a menudo funcionan mejor en concierto que por separado. El nuevo instrumento tres en uno esuna especie de navaja suiza para mediciones a escala atómica. El investigador del NIST Joseph Stroscio y sus colegas, incluidos Johannes Schwenk y Sungmin Kim, presentan una receta detallada para construir el dispositivo en el Revisión de instrumentos científicos .
"Describimos un plano para que otras personas lo copien", dijo Stroscio. "Pueden modificar los instrumentos que tienen; no tienen que comprar equipo nuevo".
Al realizar simultáneamente mediciones en escalas que van desde nanómetros a milímetros, el instrumento puede ayudar a los investigadores a concentrarse en los orígenes atómicos de varias propiedades inusuales en materiales que pueden resultar invaluables para una nueva generación de computadoras y dispositivos de comunicación. Estas propiedades incluyen la resistenciasin flujo de corriente eléctrica, saltos cuánticos en la resistencia eléctrica que podrían servir como nuevos interruptores eléctricos y nuevos métodos para diseñar bits cuánticos, que podrían conducir a computadoras cuánticas basadas en estado sólido.
"Al conectar lo atómico con la gran escala, podemos caracterizar los materiales de una manera que no podíamos antes", dijo Stroscio.
Aunque las propiedades de todas las sustancias tienen sus raíces en la mecánica cuántica, las leyes físicas que rigen el reino liliputiense de los átomos y los electrones, los efectos cuánticos a menudo se pueden ignorar a gran escala, como el mundo macroscópico que experimentamos todos los días. PeroPara una clase muy prometedora de materiales conocidos como materiales cuánticos, que generalmente consisten en una o más capas atómicamente delgadas, persisten fuertes efectos cuánticos entre grupos de electrones a grandes distancias y las reglas de la teoría cuántica pueden dominar incluso en escalas de longitud macroscópicas.conducen a propiedades notables que pueden aprovecharse para las nuevas tecnologías.
Para estudiar estas propiedades con mayor precisión, Stroscio y sus colegas combinaron en un solo instrumento un trío de dispositivos de medición de precisión. Dos de los dispositivos, un microscopio de fuerza atómica AFM y un microscopio de túnel de exploración STM, examinan las propiedades microscópicas desólidos, mientras que la tercera herramienta registra la propiedad macroscópica del transporte magnético: el flujo de corriente en presencia de un campo magnético.
"Ningún tipo de medida proporciona todas las respuestas para comprender los materiales cuánticos", dijo el investigador del NIST Nikolai Zhitenev. "Este dispositivo, con múltiples herramientas de medición, proporciona una imagen más completa de estos materiales".
Para construir el instrumento, el equipo de NIST diseñó un AFM y un dispositivo de medición de transporte magnético que eran más compactos y tenían menos partes móviles que las versiones anteriores. Luego integraron las herramientas con un STM existente.
Tanto un STM como un AFM usan una punta afilada para examinar la estructura de las superficies a escala atómica. Un STM mapea la topografía de las superficies metálicas colocando la punta dentro de una fracción de un nanómetro billonésima parte de un metro delmaterial en estudio. Al medir el flujo de electrones que salen de la superficie del metal a medida que la punta afilada flota justo por encima del material, el STM revela las colinas y valles de escala atómica de la muestra.
Por el contrario, un AFM mide las fuerzas mediante cambios en la frecuencia a la que su punta oscila mientras se desplaza sobre una superficie. La punta está montada en un voladizo en miniatura, lo que permite que la sonda oscile libremente. La frecuencia de oscilación cambia a medida que se mueve.la sonda aguda detecta fuerzas, como la atracción entre moléculas, o las fuerzas electrostáticas con la superficie del material. Para medir el transporte magnético, se aplica una corriente a través de una superficie inmersa en un campo magnético conocido. Un voltímetro registra el voltaje en diferentes lugaresel dispositivo, revelando la resistencia eléctrica del material.
El conjunto está montado dentro de un criostato, un dispositivo que enfría el sistema a una centésima de grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, la fluctuación cuántica aleatoria de partículas atómicas se minimiza y los efectos cuánticos a gran escala se vuelven más pronunciados ymás fácil de medir: el dispositivo tres en uno, que está protegido del ruido eléctrico externo, también es de cinco a 10 veces más sensible que cualquier conjunto anterior de instrumentos similares, acercándose al límite de ruido cuántico fundamental que se puede lograr a bajas temperaturas.
Aunque es posible que tres instrumentos completamente independientes, un STM, un AFM y una configuración de transporte magnético, hagan las mismas mediciones, insertar y luego retraer cada herramienta puede alterar la muestra y disminuir la precisión del análisis.También puede dificultar la replicación de las condiciones exactas, como la temperatura y el ángulo de rotación entre cada capa ultradelgada del material cuántico, bajo el cual se realizaron mediciones previas.
Para lograr el objetivo de un instrumento tres en uno con alta sensibilidad, el equipo del NIST se asoció con un equipo internacional de expertos, incluido Franz Giessibl de la Universidad de Regensburg, Alemania, que inventó un AFM altamente efectivo conocido como qPlusAFM. El equipo eligió un diseño compacto que aumentó la rigidez del microscopio y equipó el sistema con una serie de filtros para detectar el ruido de radiofrecuencia. La aguja atómicamente delgada del STM se duplicó como el sensor de fuerza para el AFM, que estaba basadoen un nuevo diseño de sensor de fuerza creado por Giessibl para el instrumento tres en uno.
Para Stroscio, pionero en la construcción de STM cada vez más sofisticados, el nuevo dispositivo es una especie de pináculo en una carrera de más de tres décadas en microscopía de sonda de exploración. Su equipo, señaló, había estado luchando durante varios años parareduce drásticamente el ruido eléctrico en sus mediciones. "Ahora hemos logrado la resolución final dada por los límites térmicos y cuánticos en este nuevo instrumento", dijo Stroscio.
"Esto se siente como si hubiera escalado el pico más alto de las Montañas Rocosas", agregó. "Es una buena síntesis de todo lo que he aprendido en los últimos 30 años".
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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